液體制劑類醫(yī)藥廠房等效均布荷載調(diào)查與研究

那 磊

煤炭工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100120

1 前言

現(xiàn)如今我國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展的攻關(guān)階段，因此，控制成本、提高效率、優(yōu)化設(shè)計(jì)成為設(shè)計(jì)院的核心競(jìng)爭(zhēng)力和生存依托。對(duì)于結(jié)構(gòu)專業(yè)，如何快速確定合理的樓面活荷載成為有效提高工作效率和結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性，提高行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的先決條件。本文以醫(yī)藥廠房中最常見的液體制劑作為研究對(duì)象，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式和板跨，對(duì)不同工藝設(shè)備進(jìn)行樓面等效荷載計(jì)算分析，彌補(bǔ)液體制劑類醫(yī)藥廠房樓面等效均布荷載的空缺，解決目前設(shè)計(jì)中荷載取值保守的問題，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，提升設(shè)計(jì)效率和經(jīng)濟(jì)性。

醫(yī)藥工業(yè)廠房一般以結(jié)構(gòu)跨度為8m或9m的多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為主。該類廠房層高較高，多為7至8m。通過對(duì)液體制劑類醫(yī)藥廠房中工藝設(shè)備的調(diào)研，并結(jié)合《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）附錄C和《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第二版）第三章中對(duì)于工業(yè)廠房等效活荷載統(tǒng)計(jì)和計(jì)算方法，通過對(duì)不同制劑容器類別對(duì)應(yīng)的工藝設(shè)備及其參數(shù)進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)不同結(jié)構(gòu)形式、板跨對(duì)設(shè)備的等效活荷載進(jìn)行分析和總結(jié)，統(tǒng)計(jì)出一個(gè)完整的液體制劑類醫(yī)藥廠房的等效荷載體系，并可將該研究體系擴(kuò)展到其他工業(yè)廠房中。

2 工藝設(shè)備調(diào)查與研究

液體制劑作為醫(yī)藥工程系統(tǒng)中最普遍的一種類型，具有系統(tǒng)龐大、種類繁多的特點(diǎn)。在成品制劑類別中，注射劑應(yīng)用最廣，生產(chǎn)和使用規(guī)模最大，該注射劑容器也可盛裝口服液制劑。注射劑容器主要以安瓿瓶和西林瓶為主。其中，以安瓿瓶為容器的注射劑的工藝流程主要包括：洗瓶、烘干、灌裝、封口、滅菌、燈檢、包裝等；而以西林瓶為容器的注射劑的工藝流程主要有：洗瓶、烘干、灌裝、加塞、扎蓋、滅菌、燈檢、包裝等。在國(guó)內(nèi)，注射劑生產(chǎn)配套設(shè)備主要以楚天科技股份有限公司的產(chǎn)品為主。

根據(jù)調(diào)查，注射劑生產(chǎn)工藝中的設(shè)備有AQCL系列安瓿立式超聲波清洗劑、KSZ系列安瓿隧道式滅菌干燥機(jī)、AGFL系列安瓿灌封機(jī)，AGS系列安瓿和西林灌封加塞機(jī)、KQCL系列西林瓶立體超聲波清洗機(jī)、KSZ系列西林瓶滅菌干燥機(jī)、KGS16系列西林瓶灌裝加塞機(jī)、KFGB和KFGC系列西林瓶螺桿分裝機(jī)、G系列西林瓶扎蓋機(jī)。設(shè)備型號(hào)和對(duì)應(yīng)運(yùn)行重量見表2.1。

另外，在以西林瓶為容器的小容量注射粉針劑生產(chǎn)過程中，干燥是其中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。隨著科技的發(fā)展，真空冷凍干燥作為干燥環(huán)節(jié)的核心技術(shù)已經(jīng)成熟并進(jìn)入中試和生產(chǎn)階段。在國(guó)內(nèi)，凍干機(jī)主要以東富龍科技股份有限公司的產(chǎn)品為主。該品牌凍干機(jī)主要分為兩種，在位清洗功能（CIP）技術(shù)產(chǎn)品與在線滅菌功能（SIP）技術(shù)產(chǎn)品。設(shè)備型號(hào)和對(duì)應(yīng)運(yùn)行重量見表2.2。

表2 .2 凍干機(jī)設(shè)備型號(hào)及運(yùn)行重量表

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，有專人在原地進(jìn)行維修排查。因此，維修荷載可按操作荷載取值；如遇重大故障，則需將設(shè)備移出廠區(qū)維修，此時(shí)設(shè)備荷載為凈自重，因此不涉及維修荷載的增加。另外，配套設(shè)備均無明顯振感，從安全角度，振動(dòng)系數(shù)取1.1。在液體制劑的工藝中，存在一些原料堆放處、分裝暫存間、液體配制間、稱量間等輔助車間。而該類車間為原輔料或成品的中轉(zhuǎn)區(qū)域，其中并無明顯堆料和較重設(shè)備，因此活荷載可按一般車間取值。

3 樓面等效荷載確定

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》附錄C和《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第二版）第三章中關(guān)于工業(yè)建筑樓面活荷載的等效計(jì)算方法，首先應(yīng)當(dāng)確定結(jié)構(gòu)形式和梁板布置。液體制劑類工業(yè)廠房通常是柱網(wǎng)為8×8m至9×9m的多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。因此，本次課題針對(duì)框架構(gòu)件及基礎(chǔ)、2.5m、3.0m和3.5m跨的單向板和次梁、3×3m及4×4m的雙向板和次梁對(duì)設(shè)備等效荷載分別進(jìn)行計(jì)算分析。

3.1 框架構(gòu)件及基礎(chǔ)等效荷載計(jì)算

本節(jié)選取安瓿滅菌干燥間為例，該車間配套設(shè)備為楚天科技KSZ系列安瓿隧道式滅菌干燥機(jī)KSZ620/43B型，設(shè)備尺寸為3680×1555×2450（長(zhǎng)×寬×高），設(shè)備運(yùn)行重量4000kg，設(shè)備下無基礎(chǔ)。設(shè)廠房柱網(wǎng)尺寸8m×8m。

設(shè)備荷載：40×1.1=44 kN；操作荷載：（8×8-3.68×1.555）×2=116.60 kN；等效均布荷載：（44+116.6）/（8×8）=2.51 kN/m2。因此，KSZ620/43B型滅菌干燥機(jī)在8m×8m柱網(wǎng)計(jì)算框架構(gòu)件及基礎(chǔ)時(shí)的等效活荷載為2.51 kN/m2。

3.2 單向板及次梁等效荷載計(jì)算

以2.5m板跨單向板及次梁為例計(jì)算樓面等效荷載。

設(shè)備以最不利布置方式置于單向板上，設(shè)備重=40 kN，操作荷載=2 kN，板跨l0=2.5 m，基礎(chǔ)厚度s=0，混凝土板厚h=0.12 m；

1）當(dāng)設(shè)備短邊垂直于板跨時(shí)：設(shè)備長(zhǎng)btx=3.68 m，設(shè)備寬bty=1.70 m，設(shè)備計(jì)算長(zhǎng)度bcx=btx+2s+h=3.80 m，設(shè)備有效計(jì)算寬度bcy=bty+2s+h=1.82 m；由于0.6l0＜bcy，因此有效分布寬度b=0.6bcy+0.94l0=3.44 m；無設(shè)備區(qū)域操作荷載產(chǎn)生的線荷載q1=2×3.44=6.88 kN/m；設(shè)備荷載扣除所占區(qū)域操作荷載產(chǎn)生的線荷載q2=（40×1.1-2×3.68×1.70）/3.80=8.29 kN/m；板的絕對(duì)最大彎矩+1/8q2l0bcx（2-bcx/l0）=10.10 kNm；等效樓板均布活荷載：=3.76 kN/m2。而由于bcx＞l0,因此等效活荷載取qe=40×1.1/（3.68×1.70）=7.03 kN/m2。

2）當(dāng)設(shè)備短邊平行于短跨時(shí)：btx=1.70 m，bty=3.68 m，bcx=btx+2s+h=1.82 m，bcy=bty+2s+h=3.80 m；由于bcy≤2.2l0，因此b=2/3bcy+0.73l0=4.36 m；q1=2×5.09=8.72 kN/m；q2=（40×1.1-2×1.70×3.68）/1.82=17.30 kN/m；Mmax=1/8+1/8q2l0bcx（2-bcx/l0）=19.33 kNm；=5.68 kN/m2。因此，KSZ620/43B型滅菌干燥機(jī)在2.5m板跨計(jì)算次梁和板的等效活荷載為7.03 kN/m2。

同理，可計(jì)算出該設(shè)備在3.0m和3.5m板跨中單向板及次梁的樓面等效荷載。

3.3 雙向板及次梁等效荷載計(jì)算

以4×4m板跨雙向板為例計(jì)算樓面等效荷載。

設(shè)備以最不利布置方式置于雙向板之上，設(shè)備重=40 kN，操作荷載=2 kN，板跨lx= ly=4.0 m，基礎(chǔ)厚度s=0，混凝土板厚h=0.12 m；設(shè)備長(zhǎng)btx=3.68 m，設(shè)備寬bty=1.70 m，設(shè)備計(jì)算長(zhǎng)度bcx=btx+2s+h=3.80 m，設(shè)備有效計(jì)算寬度bcy=bty+2s+h=1.82 m；無設(shè)備區(qū)域操作荷載q1=2 kN/m2；設(shè)備荷載扣除所占區(qū)域操作荷載產(chǎn)生的線荷載q2=（40×1.1-2×3.68×1.70）/（3.8×1.82）=4.55 kN/m2；已知系數(shù)：k=lx/ly=1，α=bcx/ ly=0.95，β= bcy/ ly=0.455，局部荷載中心至最近的短邊（長(zhǎng)邊）距離/短邊計(jì)算跨度：ξ=0.5（η=0.5），通過查表可得：θx=0.8414，θy=0.7148。而，q2產(chǎn)生的等效均布荷載q2e=max（θx，θy）q2=3.83，因此，qe= q1+ q2e=5.83 kN/m2。

同理，可計(jì)算出該設(shè)備在3×3m板跨中雙向板及次梁的樓面等效荷載。

3.4 不同設(shè)備支座方式對(duì)等效荷載計(jì)算的影響

不同工藝的設(shè)備支座方式包括：全部底面與樓面接觸（面與面接觸）、底面兩條底座與樓面接觸（線與面接觸）、若干支腿與樓面接觸（點(diǎn)與面接觸）。而不同的生產(chǎn)能力相應(yīng)的設(shè)備支腿數(shù)量、大小和位置也有很大差異。經(jīng)過調(diào)研，廠家無法逐一提供設(shè)備支腿參數(shù)，為克服支座方式的不確定性對(duì)等效荷載的影響，本節(jié)選取四種功能、大小、風(fēng)格完全不同的設(shè)備，將設(shè)備荷載在最不利布置的情況下，分別以三種不同的支座方式布置在2.5m、3.0m和3.5m跨的單向板以及4×4m的雙向板上，其中單向板上考慮設(shè)備短邊垂直于板跨和平行于板跨兩種情況。最后，利用理正工具箱，分別計(jì)算出各工況中的跨中最大彎矩值。另外，利用第3.2和3.3節(jié)的計(jì)算原理計(jì)算出的四種設(shè)備的等效活荷載，并通過理正工具箱計(jì)算出均布活荷載工況下的跨中最大彎矩值。最后進(jìn)行最大彎矩值對(duì)比，本文列出其中兩個(gè)設(shè)備的對(duì)比結(jié)果：

表3 .1 KSZ-620/60B設(shè)備跨中最大彎矩值比較

表3 .2 CIP-15 設(shè)備跨中最大彎矩值比較

根據(jù)比較分析得出，利用本文第3.2和3.3節(jié)方法所得的等效荷載對(duì)應(yīng)的跨中最大彎矩均大于相對(duì)應(yīng)板跨各支座方式對(duì)應(yīng)的跨中最大彎矩值，并且誤差并不明顯。因此，可以確定第3.2和3.3節(jié)計(jì)算樓面等效荷載方式的準(zhǔn)確性和合理性。

4 等效荷載計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)和分析

通過應(yīng)用本文第3章介紹的等效荷載計(jì)算方法，針對(duì)第2章中所調(diào)查的工藝配套設(shè)備，分別對(duì)8×8m和9×9m柱網(wǎng)的框架構(gòu)件及基礎(chǔ)、2.5m、3.0m和3.5m跨度的次梁和板、以及3×3m 和4×4m的雙向板進(jìn)行等效荷載計(jì)算。如果計(jì)算結(jié)果小于2kN/m2，則取2kN/m2。另外，設(shè)備動(dòng)力系數(shù)均按1.1考慮。通過分析，整理出查詢表如下。

需要說明的是，工業(yè)廠房無設(shè)備區(qū)域及生產(chǎn)區(qū)域操作荷載不宜小于4 kN/m2，因此，表中不足4 kN/m2的活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取4 kN/m2。

表4 .1 液體制劑類醫(yī)藥廠房樓面等效活荷載標(biāo)準(zhǔn)值查詢表

5 結(jié)論

本文進(jìn)一步優(yōu)化了等效荷載的調(diào)查途徑和確定方式，通過對(duì)液體制劑類醫(yī)藥的配套設(shè)備廠家的調(diào)研，利用等效樓面荷載的計(jì)算理論，制成以結(jié)構(gòu)形式、板跨為區(qū)分的等效荷載調(diào)查表，使液體制劑類醫(yī)藥廠房等效均布荷載有據(jù)可查，彌補(bǔ)了該項(xiàng)空缺。另外，本文優(yōu)化了計(jì)算環(huán)節(jié)，有效克服設(shè)備支座的不確定性對(duì)等效荷載確定產(chǎn)生的影響。本文提供的等效荷載調(diào)查表不僅提升醫(yī)藥廠房設(shè)計(jì)的專業(yè)性、高效性和準(zhǔn)確性，并且在該調(diào)研系統(tǒng)推廣至其它工業(yè)廠房后可有效節(jié)省我國(guó)工業(yè)基礎(chǔ)建設(shè)中混凝土和鋼筋用量，達(dá)到節(jié)約能源，減小能耗，減少環(huán)境污染的目的。